某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗分析

鄭景祥（1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗分析

鄭景祥1，2
（1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

本文通過對某鋼管混凝土系桿拱橋的荷載試驗，闡述了鋼管混凝土系桿拱橋的荷載試驗方法，并對試驗結果進行詳細分析。分析結果表明，該橋在試驗荷載作用下，各控制截面變形與應變校驗系數均滿足規(guī)范要求，結構具有一定安全儲備；相對殘余應變與變形滿足規(guī)范要求，恢復情況良好；橋梁實測自振頻率與計算值接近，沖擊系數較小。以上結論表明橋梁的工作狀況良好，滿足城-B級設計荷載的要求。

鋼管混凝土拱橋靜動載應變撓度索力

1 橋梁概況

某鋼管混凝土橋，跨徑布置為：9m（混凝土實心板橋）+35m（鋼管混凝土拱橋）+9m（混凝土實心板橋），主橋為簡支下承式鋼管混凝土系桿拱，鋼管內灌注C50微膨脹混凝土，拱肋采用鋼管混凝土拱肋，計算跨徑L=35m，計算矢高f=7m，矢跨比為1/5;拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.1670；吊桿采用PES（c）5-055（ρb=1670MPa）成品索，張拉端設在系梁底。設計荷載[1]：城-B級，人群荷載4.0kN/m2。

2 模型建立

根據鋼管混凝土系桿拱橋的結構特點進行結構建模[2]。依據設計圖紙和現場檢查結果，借助有限元結構分析軟件Midas/civil建立該橋的空間有限元梁格模型。模型中主梁、拱肋、橫撐、橫梁采用梁單元模擬，在梁格上按橋面性鋪裝實際厚度建立板單元，模擬考慮鋪裝對橋梁的剛度貢獻，非結構構件簡化為均布荷載施加于從屬的桿件上。模型中的材料參數按規(guī)范取值。本模型共含梁單元278個，板單元448個，只受拉單元（吊桿）14個，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3 靜載試驗試驗方法

3.1 橋梁靜載試驗工況

考慮橋梁實際使用荷載特點[3]，本次試驗選取主跨作為試驗跨。根據設計荷載和試驗荷載計算結果，本次試驗共3個工況，根據橋梁結構現狀，本次靜載試驗采用汽車加載方式，按荷載效率η范圍進行計算，確定采用2部45噸重車進行靜載試驗[4]。本次靜載試驗荷載效率為0.88～1.04，基本滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）[5]中所規(guī)定的0.95≤η≤1.05的要求。各加載工況內容及荷載效率詳見表1。

表1 加載工況及荷載試驗效率表

3.2 橋梁測試截面布置圖

(1)應變測點布置∶應變測試采用振弦式應變計以及振弦讀數儀，在主跨左側縱梁、左側拱肋和l/2截面處橫梁上布置應變測點，應變測點布置見圖2～圖3。

圖2 主跨左側縱梁、左側拱肋應變測點布置圖

圖3 主跨l/2截面處橫梁（跨中橫梁）應變測點布置圖

(2)撓度測點布置：梁撓度測試采用百分表量測，主跨左側縱梁、左側拱肋和1/2截面處橫梁上布置撓度測點，撓度測點布置見圖4～圖5。

圖4 主跨左側縱梁、左側拱肋截面撓度測試點布置圖

圖5 主跨1/2截面處橫梁（跨中橫梁）撓度測點布置圖

(3)索力測點布置：利用頻率法測試吊桿內力是通過測試結構自振頻率、分析其自振特性從而得到吊桿的內力的方法。將索力傳感器附著于左側吊桿，拾取吊桿的振動信號，經過濾波、信號放大、譜分析得到吊桿的自振頻率，然后根據吊桿內力與吊桿頻率間的固有關系來確定吊桿的內力。

4 靜載試驗結果分析

（1）縱梁、拱肋、橫梁應力分析

檢測結果表明，所測構件的主要測點應變校驗系數在0.52～0.77之間，滿足規(guī)范要求，卸載后應變恢復良好，表明橋梁處于彈性工作狀態(tài)，強度滿足設計要求。

表2 各構件主要測點應力分析

（2）縱梁、拱肋、橫梁撓度分析

檢測結果表明，所測構件的撓度校驗系數在0.69～0.89之間，滿足規(guī)范要求，表明橋梁豎向剛度滿足設計要求。

表3 各構件主要測點撓度分析

（3）吊桿索力分析

①工況一、工況二檢測結果表明，所測吊桿的內力校驗系數在0.78～0.82之間，吊桿拉力的實測值與計算值相符較好，表明吊桿受力合理，符合規(guī)范及設計要求。

表4 吊桿主要測點內力分析

表5 恒載下吊桿內力測試值匯總表

5 動載試驗結果分析

動載試驗[6]分為脈動試驗（自振特性試驗）和強迫振動試驗（無障礙行車試驗和剎車試驗）。自振特性試驗：采用環(huán)境隨機振動法測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋梁結構微幅振動響應，以分析橋跨結構的自振特性。強迫振動試驗：（1）無障礙行車試驗：采用行車試驗測定橋跨結構由于車輛行駛引起的橋梁結構的振動響應，以分析橋跨結構的動力響應。（2）剎車試驗[7]：采用剎車試驗測定橋跨結構由于車輛行駛引起的橋梁結構的振動響應，以分析橋跨結構的動力響應。

（1）自振特性振動試驗結果與分析

本次自振特性試驗采用頻譜分析法，根據測試結果分析可知：橋梁第二跨豎向一階自振頻率為5.08Hz，與有限元模型計算豎向一階自振頻率（5.07Hz）相接近。表明橋梁實際剛度與橋梁模型相吻合，橋梁整體剛度較好。

圖6 第二跨實測豎向第一階振型

圖7 第二跨理論豎向第一階振型

（2）無障礙行車試驗及剎車結果分析

本次試驗采用一輛載重45t汽車進行無障礙行車試驗及剎車試驗。試驗車輛分別以20km/h、30km/h、40km/h的速度按指定線路通過橋面和在橋面進行剎車試驗，測試振動動應變。

無障礙行車試驗及剎車試驗結果表明，在正常行車及剎車情況下，車輛對橋梁的沖擊系數μ=0.06～0.18，小于設計理論沖擊系數取值0.27。通行車輛對橋跨結構沖擊作用不顯著，橋梁結構工作狀況良好。

表6 實測沖擊系數匯總表

6 結論

（1）橋梁結構在荷載作用下的控制斷面內力（應力）、撓度、索力的實測值與理論計算值的比較結果表明，結構控制斷面內力與撓度值滿足設計與規(guī)范要求。

（2）橋梁結構的自振特性及動力響應試驗結果表明，結構的實際動力性能良好。

（3）試驗觀測數據和試驗現象的綜合分析表明，橋梁整體結構性能處于彈性受力狀態(tài)，拱肋、系梁受力狀況合理，符合設計要求，為該橋今后運營養(yǎng)護及長期健康狀況評價提供結構原始參數。

[1]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京∶人民交通出版社，1999.

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋實例集[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]司秀勇，李春雨，金海江.無橫撐鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究[J].鐵道建筑，2009（5）.

[5]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[6]王志君.單跨拱橋靜動載試驗[J].交通世界，2012（9）.

[7]夏建中.蕪湖長江大橋成橋靜動載試驗[J].中國鐵道科學，2001.